006 – Identificazione gas

L'identificazione di un gas è uno dei problemi più antichi della chimica ed è ancora oggi attuale: le squadre di minatori e addetti alle gallerie testano l'aria prima di entrare, i birrai e i produttori di vino monitorano l'anidride carbonica prodotta dalle loro fermentazioni e gli ospedali verificano il contenuto di ogni conduttura del gas prima che arrivi a un paziente. La maggior parte dei gas è incolore e inodore, quindi l'aspetto non è d'aiuto: un gas deve essere identificato in base al suo comportamento.

Tre test classici, insieme, distinguono i gas di laboratorio più comuni. Un frustino di legno acceso verifica se il gas è infiammabile: l'idrogeno si accende con un piccolo scoppio, mentre l'anidride carbonica soffoca la fiamma. Un frustino di legno incandescente verifica se il gas alimenta la combustione meglio dell'aria: solo l'ossigeno riaccende labrace. E l'acqua di calce — una soluzione satura di idrossido di calcio — rileva specificamente l'anidride carbonica, diventando torbida per la formazione di carbonato di calcio insolubile. Nessun singolo test è conclusivo da solo, ma la combinazione di tutti e tre i risultati è unica per ciascun gas.

In questo laboratorio applicherete tutti e tre i test a tre gas sconosciuti, ciascuno fornito in tre provette tappate, registrerete l'esito di ogni prova e dedurrete l'identità di ciascun gas dalle prove combinate.

Obiettivi Educativi

Familiarizzazione con l'ambiente di laboratorio

• Identificare la disposizione e le attrezzature del laboratorio di identificazione dei gas, compresi i portaprovette contenenti gas sconosciuti (da #1 a #9), le stecche di legno e l’accendino, il supporto da laboratorio con il suo morsetto universale e il cilindro graduato utilizzato per misurare l’acqua di calce.

Manipolazione sicura di gas e fiamme libere

• Tenere le provette tappate fino al momento del test, gettare i bastoncini di legno usati nel contenitore di recupero e comprendere il motivo per cui vengono manipolati solo piccoli volumi di gas vicino a una fiamma.
• Una provetta viene tenuta capovolta durante i test del ferretto perché un gas meno denso dell'aria, come l'idrogeno, altrimenti uscirebbe prima di poter essere testato.

Corretta esecuzione dei tre saggi classici sui gas

• Introdurre un acetone acceso in una provetta capovolta e interpretare una micro-esplosione, una fiamma estinta o nessun cambiamento.
• Spegni unucello ligneo mantenendolo incandescente e usa la brace ardente per verificare se il gas alimenta la combustione.
• Misurare 15 mL di acqua di calce, traferirla rapidamente in una provetta di gas e mescolare per verificare la presenza di un precipitato.

Osservazione sistematica e deduzione

• Registrare immediatamente il risultato di ogni prova nella tabella dei risultati.
• Deduci l'identità di ciascun campione sconosciuto dal pattern combinato dei tre test anziché da una singola osservazione.

Collegare le osservazioni alle proprietà chimiche

• Associa ciascun test alla proprietà che esamina: infiammabilità, capacità di sostenere la combustione e reazione acido-base dell'anidride carbonica con l'idrossido di calcio.
• Scrivi e bilancia le equazioni chimiche alla base dello scoppio dell'idrogeno e dell'intorbidimento dell'acqua di calce.

Protocollo

Identificazione di gas sconosciuti

1. Agganciare una morsa universale al supporto.
2. Aggancia a testa in giù uno dei provette contenenti il gas ignoto 1 (provette da 1 a 3) al morsetto universale.
3. Rimuovere il tappo dalla provetta capovolta.
4. Accendi una scheggia di legno.
5. Inserire il bastoncino acceso nella provetta capovolta.
6. Una micro esplosione, la scomparsa o l'assenza di cambiamenti nella fiamma possono fornire informazioni sulla natura del gas.
7. Rimetti la provetta sul suo supporto e getta il bastoncino nel cestino di recupero.
8. Attaccare capovolta una seconda provetta contenente il gas sconosciuto 1 (provette da 1 a 3) al morsetto universale.
9. Rimuovere il tappo dalla provetta capovolta.
10. Accendi un altro bastoncino di legno.
11. Scuoti la stecca di legno per spegnerla mantenendola incandescente.
12. Inserisci la stecca luminosa nel provetta capovolta.
13. La possibile accensione della scheggia può fornire informazioni sulla natura di un gas.
14. Rimetti la provetta sul suo supporto e getta il bastoncino nel contenitore di recupero.
15. Versare 15 mL di acqua di calce nel cilindro graduato.
16. Mentre lo tieni sul portaprovette, apri la terza provetta contenente il gas sconosciuto 1 e versaci rapidamente circa 15 mL di acqua di calce.
17. Rimetti il tappo sulla provetta e mescola bene.
18. La formazione o l'assenza di un precipitato bianco può fornire informazioni sulla natura del gas.
19. Ripetere i passaggi da 2 a 17 con le provette contenenti il gas sconosciuto 2 (provette da 4 a 6), poi con quelle contenenti il gas sconosciuto 3 (provette da 7 a 9).
20. Controlla la tabella dei risultati sulla tavoletta per dedurre il contenuto delle provette.

Risultati Previsti

Risultati attesi. Le tre incognite si comportano come segue.

Perché l'idrogeno fa "pop". L'idrogeno è infiammabile: mescolato con l'ossigeno dell'aria circostante e in presenza di una fonte di innesco, brucia quasi istantaneamente — 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(g). La reazione è fortemente esotermica e si propaga attraverso il piccolo volume di gas in una frazione di secondo, producendo il caratteristico scoppiettio di una micro-esplosione. La provetta contiene solo pochi millilitri, ed è esattamente per questo che la dimostrazione è sicura.

Perché solo l'ossigeno riaccende la brace. Una stecca incandescente è carbone che si ossida appena al di sotto della soglia della fiamma libera. Nell’aria normale, solo il 21% delle molecole che entrano in collisione con la brace è costituito da ossigeno; nell’ossigeno puro tale frazione sale al 100%, la velocità di ossidazione aumenta all’incirca in proporzione e il calore supplementare rilasciato riporta la brace al di sopra della sua temperatura di accensione. L’idrogeno e l’anidride carbonica non contengono ossigeno libero, quindi in entrambi i gas la brace viene privata dell’ossigeno e si spegne.

Perché l'acqua di calce diventa lattiginosa. L'anidride carbonica è un gas acido. Agitata con acqua di calce — una soluzione satura di idrossido di calcio — reagisce per formare carbonato di calcio: CO₂(g) + Ca(OH)₂(aq) → CaCO₃(s) + H₂Il carbonato di calcio è quasi insolubile, quindi appare come una sospensione di fini particelle bianche che diffondono la luce e fanno apparire il liquido lattiginoso. Né l'idrogeno né l'ossigeno reagiscono con l'idrossido di calcio, quindi per questi gas l'acqua di calce rimane limpida.

Perché la fiamma si spegne nell'anidride carbonica. L'anidride carbonica è il prodotto di combustione completamente ossidato: non può bruciare ulteriormente e non contiene ossigeno disponibile per sostenere la fiammella. Essendo più densa dell'aria, permane inoltre nella provca e sposta l'aria di cui la fiamma ha bisogno — lo stesso principio sfruttato dai CO₂ estintori.

Riepilogo del compito per intervallo di voti

Classe 9-10

• Concentrazione: i gas sono identificati dal loro comportamento, non dal loro aspetto, e le osservazioni devono essere registrate sistematicamente.
• Attività: eseguire in sicurezza i test del tizzone ardente, del tizzone incandescente e dell'acqua di calce su ciascun campione sconosciuto; registrare immediatamente ogni risultato nella tabella; identificare i tre gas dal pattern combinato; indicare quali singole osservazioni sarebbero state ambigue prese singolarmente.

Undicesimo anno

• Concentrazione: la chimica dietro ogni test.
• Attività: Scrivi e bilancia le equazioni per la combustione dell'idrogeno e per la reazione dell'anidride carbonica con l'acqua di calce; spiega perché una坨 (replace: stecca) di legno incandescente si ravviva solo nell'ossigeno, in termini di frequenza delle collisioni e temperatura di accensione; spiega perché le provette vengono bloccate capovolte per i test con la stecca e perché l'anidride carbonica soffoca una fiamma.

12ª classe / Livello universitario

• Concentrazione: logica analitica e progettazione di schemi di test qualitativi.
• Attività: costruire la matrice di decisione completa per i tre test e dimostrare che ciascun gas produce un pattern unico; spiegare la ridiscioluzione del precipitato di acqua di calce in eccesso di CO2₂ e la sua conseguenza per l'interpretazione; determinare la sequenza minima di test che identificherebbe ciascun gas e quali coppie ciascun singolo test non può separare; discutere come lo schema fallirebbe per un gas inerte come l'azoto.

Materiale essenziale di laboratorio

Strumenti

• Accendino
• Provette
• Stecche di legno
• Sostegno da laboratorio
• Morsetto
• Cilindro graduato

Prodotti

• Gas sconosciuti (da #1 a #9)
• Acqua di calce